基于PLC的母粒生產廠設備工業互聯網系統改造

湯晨宇

(江蘇帕特納實業發展有限公司 南通分公司，江蘇 南通 226000)

0 引言

由于近年來科學技術的飛速發展，工業設備的更迭周期大大縮短，一些數年前的設備已無法滿足當今智能制造大環境的要求，因此，本項目為了使某母粒生產廠老舊設備能夠與其公司的制造執行系統(Manufacturing Execution System，MES)連接，對其公司內的五十余臺各類設備進行了相關的工業互聯網系統設計和改造，使這些設備能夠自動采集各項所需要的數據，并通過工業互聯網儲存到專用的SQL數據庫中，同時MES系統通過OPC UA與組態軟件和SQL數據庫進行數據對接。

1 母粒生產廠設備工業互聯網系統改造的總體設計

首先，根據客戶的需求和現場設備的實際情況，考慮對相關生產設備進行了一些改造設計，以達到數據采集的條件。

其次，對設備的數據采集進行方案設計。由于需從智能電表、變頻器、溫控器、接觸器、熱電偶等各種電氣設備、元件上采集多種數據，同時考慮到成本等因素，最終選擇了可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)作為設備端的數據收集元件。

接著，對組態軟件與設備端通訊進行方案設計。由于該項目是在一個廠區內，占地面積并不算大，因此，綜合考慮通訊速度、穩定性、可靠性、容量以及相關成本等因素，最終決定采用工業以太網來貫通全場。

最后，是對系統整體數據收集的方案設計。經過對系統的信息處理和傳輸的計算，且考慮到系統的預算、技術、性價比等方面的因素，最終選擇了組態軟件作為系統的數據收集中心。

在PLC與其下位機的通訊選擇上，由于所需要采集的設備和元件種類繁多，因此為了能夠最大限度地直接采集各項數據，對各設備進行了細致的調研和分析，最終確定采用RS-485通訊。對于PLC與其上位機組態軟件的通訊方式，經考量后決定采用工業互聯網中較常用的Modbus TCP通訊協議。該通訊協議具有兼容性高、共享能力強、數據傳輸速率高、傳輸距離長、成本低、易組網和接口應用廣泛等優點。生產設備工業互聯網系統框架如圖1所示。

圖1 生產設備工業互聯網系統框架

2 母粒生產廠設備工業互聯網系統改造的硬件選型與設計

2.1 系統的硬件選型

2.1.1 PLC及擴展模塊選型

根據系統對PLC的要求，特別是對通訊方面的要求，經過多方對比，最終選擇了臺達DVP-SE系列DVP12SE11R繼電器型PLC。

對于單臺擠出機十多路的溫度數據采集需求，為了減少安裝周期，降低相應的成本，最終決定在原有的溫控器基礎上將其熱電偶并聯起來，并選用了與DVP-12SE適配的溫度測量模塊DVP04TC-S。

2.1.2 智能電表選型

由于大多數設備均需采集能耗及主機電流，而現場設備均沒有相關數據采集的儀器儀表，因此需添加相應的智能電表來采集相關數據。經過對比，最終選擇了臺達DPM-D系列DPM-D520I型智能電表。同時為方便施工，選擇了與DPM-D系列配套的DCT-S211C型開口電流互感器。

2.1.3 溫控器選型

對于結晶機和烘箱上的幾臺溫控儀表，由于其無法滿足通訊和數據傳輸要求，因此決定將其替換。經過多方對比，決定采用臺達同等規格尺寸的DT3系列DT320RA-0200、DT340RA-0200、DT360RA-0200型溫度控制器。

2.1.4 其他元件選型

除以上幾種硬件外，本系統還采用了工業交換機、工業無線AP、工業計算機、開關電源等硬件。

工業交換機選用臺達DVS系列工業級非網管型以太網絡交換機；工業無線AP采用臺達DVW-W02W2型工業級無線AP；工業計算機選擇了臺達IPC系列DIAVH-IPC005型工業計算機；開關電源選擇臺達DVP系列與PLC搭配的DVP-PS系列電源模組。

2.2 電氣控制柜設計

現場控制柜共分為兩種，一種是數據采集柜，另一種是交換機柜，所有箱體規格統一為長600 mm、寬350 mm、深200 mm。

采集柜的命名采用車間名加序號的方式，如A1，A2，…；B1，B2，…；后1，后2，…。每臺采集柜內的基本硬件配置一致，后期再根據現場的實際情況進行更改，如擠出機的采集柜增加了3個臺達DVP-04TC-S型溫度測量模塊等。

交換機柜共有3臺，A車間、B車間、后整理車間各一臺。交換機柜負責匯集整個車間的工業以太網并匯集到B車間，最后接入服務器。

3 系統的程序及軟硬件應用設計

3.1 PLC程序的設計

臺達DVP系列PLC的編程軟件選用了WPLSoft軟件，可以進行梯形圖編程、SFC編程和指令編程。本設計采用了梯形圖編程。

3.1.1 PLC通訊程序設計

系統PLC程序設計的最主要部分是RS-485通訊程序的編寫。由于現場設備數量較多，且各設備工況、狀態等參差不齊，導致各臺PLC程序的規整度也不相同，因此本文以較為規整的B5控制柜PLC程序設計為例進行介紹。

(1)對PLC的D1120特殊數據寄存器COM2 (RS-485)通訊格式進行設定，將通訊格式9600,8，N，1轉換為H81寫入特D1120；設置通訊逾時時間為200 ms，寫入特D1129中；設置通訊模式特M1143特殊輔助繼電器COM2(RS-485)的ASCII/RTU 模式為RTU模式(Off 時為ASCII 模式，On 時為RTU 模式)；置位特M1120使COM2(RS-485)通訊格式保持，設置后變更D1120無效。通訊格式設置程序如圖2所示。

圖2 通訊格式設置程序

(2)當通訊格式設置完成之后就進入通訊輪訓程序，通過對特M1127：COM2(RS-485)通訊指令數據傳送接收完畢、特M1129：COM2(RS-485)接收逾時、特M1140：COM2(RS-485)MODRD /MODWR /MODRW數據接收錯誤、特M1141：COM2(RS-485)MODRD /MODWR /MODRW指令參數錯誤等特殊輔助繼電器的上升沿來觸發通訊輪訓切換的同時復位相關的特殊輔助繼電器。每一次的通訊輪訓切換都會使通訊輪訓切換計數器C0加1，每次的C0改變都會觸發一步通訊，使得每一步的通訊依次有序地進行，直至所有通訊完成后C0清零，進行循環。

(3)通訊讀取選擇MODRW：MODBUS讀寫數據指令，其功能碼設定為H3。讀取多筆字符(Word)裝置，其回傳的數據會被儲存在S操作數開始連續的寄存器中，并且自動將轉換后的16進位數據儲存在D1296～D1311。該RS-485通訊網絡中智能電表D520I站號為1，擠出變頻器站號為2，攪拌變頻器站號為3。通訊讀取程序如圖3所示。

圖3 通訊讀取程序

3.1.2 PLC與溫度測量模塊的數據讀寫程序設計

在擠出機的數據采集中還需要PLC從其擴展的溫度測量模塊中讀取出溫度數據，因此就需要編寫相應的程序來讀取數據。在臺達DVP系列PLC的編程中采用“FROM/TO”指令來“讀取/寫入”相應擴展模塊控制寄存器(CR)中的數據。首先通過“TO”指令將相應的值寫入#1CR寄存器中用來設定溫度測量模塊各通道采集的熱電偶型式，之后通過“FROM”指令來讀取溫度測量模塊上各通道的測量攝氏溫度平均值及擴展模塊錯誤狀態。溫度測量模塊數據讀寫程序如圖4所示。

圖4 溫度測量模塊數據讀寫程序

3.1.3 PLC采集數據的初步運算程序設計

為了使不同設備的同類數據采用同一格式、標準、單位等，同時為了降低系統端的運算負荷，提高數據傳輸的高效性，決定在PLC端進行相關數據的初步運算，將數據轉換為同一格式、標準、單位后再進行傳輸。

一般來說PLC寄存器很難直接儲存有小數位的數據，如變頻器頻率“50.00 Hz”,PLC讀取出來的數據則為“5 000”;溫度測量模塊采集的溫度“36.5 ℃”,PLC讀取出來則為“365”，因此需要進行一定的運算才能得到所需要的準確的數據。為了方便運算并降低不必要的數據誤差，于是決定采用浮點數運算，將相應的整數轉換為浮點數后再進行相應的運算，最后直接以浮點數的形式進行傳輸。變頻器頻率運算程序如圖5所示。

圖5 變頻器頻率運算程序

3.2 硬件的應用設計

D520I智能電表是該系統中比較重要的采集設備，但其并非拿起來就能用的，需要用DPMSoft對其進行相應的應用配置。DPMSoft軟件界面如圖6所示。

當連接上D520I智能電表后需要對其CT電流互感器的一次側和二次側參數、RS-485通訊站號以及通訊格式進行修改。根據DCT-S211C電流互感器的參數，需要將D520I智能電表的CT一次側設定為200 A、二次側設定為5 A。RS-485的通訊站號及通訊格式需要按照前期的站號分配及格式安排來設定，如B15號柜負責采集的6#高混機的通訊格式為：“3號站、RTU通訊模式、9600,8,N，1”。

3.3 組態軟件的選擇

組態軟件是組態監控系統軟件的簡稱，是用來進行采集數據和過程控制的軟件，是自動控制等系統的監控用軟件平臺。經過多方對比，考慮軟件的實用性、功能性以及性價比等因素，最終選擇了北京亞控科技旗下的KingIOServer。

KingIOServer集成了5 000多種驅動，能夠解決設備通訊的各種難題，其支持的驅動包括PLC、IO模塊等，支持包括串口、以太網、GPRS等在內的多種通訊，同時第三方系統可以通過API接口和OPC(DA和UA)方式訪問實時數據。

4 結束語

本設備工業互聯網系統屬于工業互聯網的設備層與邊緣層的改造應用。主要通過PLC來進行設備的數據采集及初步運算，由KingIOServer讀取各PLC的數據，最后由MES系統對接KingIOServer并讀取相關數據后進行更深層次的運算與運用。

現今，全球都掀起了發展工業互聯網的熱潮，我國政府及各行業也都極為重視工業互聯網的發展。然而我國制造業規模龐大，絕大部分的老舊設備無法滿足工業互聯網的發展需求，但若為發展工業互聯網而進行大范圍的設備更新換代顯然是天方夜譚，由此，設備的工業互聯網改造就有了很大的市場和前景。